激光诱导击穿光谱对污染鱼体内重金属元素分布与含量的分析

第３３卷，第１期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１，ｐｐ２０６２０９２０１３年１月　　　　　　　　　　　　ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＪａｎｕａｒｙ，２０１３　激光诱导击穿光谱对污染鱼体内重金属元素分布与含量的分析万　雄１，２，王建宇１，叶健华２，王　鹏２，张志敏２１．中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室，上海　２０００３０２．南昌航空大学教育部无损检测重点实验室，江西南昌　３３００６３摘　要　环境污染可造成生物体的中毒、病变及死亡。生物体各组织对污染物质的吸收、积累情况是不同的。生物体各组织对污染物质重金属元素的吸收是生物医学中的一项重要研究。采用激光诱导击穿光谱（ＬＩＢＳ）方法对受污染的鱼体各组织进行了重金属元素定量分析。实验中得到了一组探测鱼类组织元素成份的ＬＩＢＳ最佳条件，拟合了Ｐｂ和Ｂａ元素的定标曲线并通过外标法测定了重金属含量。实验结果表明，鱼体中肝脏及口腮等部位有重金属积累，而在鱼肉中重金属含量极低。所提出的方法可用于生物体受污染影响的评估研究，在生物医学领域有重要推广价值。关键词　激光诱导击穿光谱；定标曲线；定量分析；微量元素中图分类号：Ｏ６５７．３　　文献标识码：Ａ　　犇犗犐：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００５９３（２０１３）０１０２０６０４　收稿日期：２０１２０６２６，修订日期：２０１２０８２０　基金项目：国家自然科学基金项目（８１２６０２２５），中国科学院“百人计划”择优支持项目，江西省自然科学基金项目（２０１２２ＢＡＢ２０２００９）和江西省教育厅科技项目（ＧＪＪ１２４０８）资助　作者简介：万　雄，１９６９年生，中国科学院“百人计划”入选者，南昌航空大学教授　　ｅｍａｉｌ：[e-mail]引　言　　重金属元素包括铅、镉、铬、汞、钡等，会对人及生物的组织带来直接或者间接的危害。重金属会在生物组织的某些器官内囤积，结合蛋白质及活性酶，使其丧失蛋白质和酶的一些特性，其危害表现为多系统、多器官、多指征和不可逆性，并且重金属的衰减期极长。近年来，现代工业、农业和交通运输业等行业给人类社会带来物质文明的同时也给人类带来了污染和迫害。由于人类无节制的滥用、工厂的无处理排放、汽车尾气等因素造成了自然环境的重金属含量急剧增加，人类及其他生物体的组织难免受到其重金属的危害。对重金属危害机制的研究、检测重金属方法和对重金属危害的改善已经被广大医学医药、食品安全等领域的学者热切关注。激光诱导击穿光谱（ｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＬＩＢＳ）探测技术是一种物质元素及其含量的分析技术，是一种主动的原子发射谱技术，定性分析的依据是被激发出的等离子体的波长值，每一个特定的波长都对应一种元素，而定量的分析依据不仅仅要波长值，而且要一组波长值所对应的光谱强度大小。在ＬＩＢＳ探测时，高密度的单脉冲激光能量使物质的表面被激发，从而形成了高能量、高温度的等离子体辐射，并且辐射向四周扩散，其自由电子与原子、离子相互碰撞，碰撞使等离子体中各种粒子的激发态接近于平衡玻尔兹曼分布，这样的粒子发射出来的谱线强度可以用来表示元素的含量。由于入射到样品上的平均功率还不到１Ｗ，所以激光对样品的加热效应基本上可以忽略不计。从理论上讲，利用ＬＩＢＳ技术可以对任何材料进行元素分析，不论它是什么物理状态：固态、液态、气态和各种混合物如煤泥、泥浆、矿石、废料、污水等都曾经被成功地分析过。ＬＩＢＳ技术可以直接对材料进行分析，而不需要对材料做任何预处理。自１９６２年，Ｂｒｅｃｈ首先提出了利用激光诱导物质产生等离子体的思想，对ＬＩＢＳ的研究从未间断，一直是研究的热点。ＬＩＢＳ可对任何物质进行探测，被广泛应用于水、土壤等的污染检测、艺术品鉴定、气体痕量元素分析、植物微量元素分析、工业控制等方面，而ＬＩＢＳ在生物医学领域中应用较少。Ｍｉｃｈｅｌａ等［１］用ＬＩＢＳ分析头发组织中的矿物元素，测量不同颜色头发的ＬＩＢＳ光谱，该方法应用于确定重金属中毒事件，可用于司法鉴定。ＳＵＮ等［２］将ＬＩＢＳ方法用于测量人体皮肤中Ｚｎ的含量，分析结果表明人体皮肤中表皮Ｚｎ含量较高，皮肤内越深，Ｚｎ含量越小。Ｓａｍｅｋ等［３］研究钙化物质中的痕量元素，分析对象包括婴儿的第１颗牙齿、小孩的第２颗牙齿、成人的牙齿及其人体的骨骼等。Ｋｕｍａｒ等［４］用ＬＩＢＳ方法分析和检测恶性组织，发现恶性肿瘤组织和正常组织中的金属元素含量明显不同。在制药领域，Ａｎｚａｎｏ等［５］采用ＬＩＢＳ技术对镇痛药丸进行快速鉴别。Ｌｏｕｉｓ等［６］则用ＬＩＢＳ实现了对药片中硬脂酸镁含量的快速测定。ＬＩＢＳ能检测物质的元素成分［７１２］，但在动物体内各组织重金属元素定量检测方面，还未见报道。本工作利用ＬＩＢＳ技术进行了鱼体内各组织元素的定性检测，并对重金属元素进行了定量分析，初步验证了这种定量测量方法的可行性。１　实验部分　　实验系统采用Ｎｄ∶ＹＡＧ固体激光器，其波长为１０６４ｎｍ，单脉冲能量为０～４００ｍＪ可调，由电压控制其单脉冲能量，频率为１～１０Ｈｚ，脉冲宽度为１０ｎｓ，发射的脉冲激光经过焦距为２００ｍｍ的聚焦透镜聚焦到样品上，产生高温高压的等离子体，耦合系统把等离子体光谱信息耦合至光谱仪。光谱仪对其光谱进行分光和探测，光谱仪的波长范围为２００～７５０ｎｍ，分辨率为０．４ｎｍ，探测器为２０４８像素ＣＣＤ。在产生等离子前，会产生连续谱，为背景噪声，本系统采用脉冲延时器ＤＧ５３５控制延迟时间，使采集到的信号都为等离子体光谱。２　结果与讨论２１　样品及犔犐犅犛光谱取三条受污染的鱼样本，编号为１，２和３，以及没有受污染的鱼编号为４，经过处理后取其肉与肝脏，分别放进匀浆机搅成匀浆。然后晾干进行ＬＩＢＳ探测，其中１号鱼体各组织的ＬＩＢＳ光谱图如图１—图９所示。犉犻犵１　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犾犻狏犲狉犉犻犵２　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犿犲犪狋犉犻犵３　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犵犻犾犾狊犉犻犵４　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺狋犪犻犾犉犻犵５　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犫狌犫犾犲犉犻犵６　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犫狅狀犲７０２第１期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析犉犻犵７　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犵犪犾犾犫犾犪犱犱犲狉犉犻犵８　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犳犻狀犉犻犵９　犔犐犅犛狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖狅．１犳犻狊犺犻狀狋犲狊狋犻狀犲２２　元素定性分析根据各光谱图可以看出，鱼各个部位的元素成分很相似，受污染鱼元素的成分除了Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｓ，Ｉ，Ｃａ等元素外，由于受到了污染，也积累了Ｐｂ和Ｂａ等有害元素，鱼鳃和鱼肝的重金属元素居多。２３　元素定量分析元素的定量分析中，比较普遍的一种方法是通过标准曲线进行定标，然后通过光谱强度响应的值，便可计算出其元素在样品中的含量。在实验测量过程中，实验测定谱线强度可用式（１）表示犐＝犉犆犃犽犻犵犽ｅ－（犈犓／犓犅犜）犝犛（犜）（１）式中，犐表示测量谱线的强度，犆表示该发射光谱所对应的原子含量，犉为实验参数。在实际中，只要实验条件不变，往往测量结果只与原子的含量有关，考虑到自吸收的影响，上式可以改变为罗马金赛伯公式［１３］，其公式为犐＝犪犮犫（２）式中，犐表示为实验所得的光谱强度，犮为分析元素的浓度，犪和犫为常数，犪与样品的参数、激发过程等相关，犫为自吸收系数，在做ＬＩＢＳ检测中，一般假设为光学薄等离子体，所以忽略了自吸收，所以假设犫为１。本工作所要分析元素为重金属元素，由于从ＬＩＢＳ光谱图中只看到了Ｐｂ和Ｂａ这两种有害重金属元素的谱线，所以对该两种元素进行定标。待测对象是受污染池塘里的鱼，取其鱼肉及其内脏，分别放进匀浆机进行充分打匀。所用定标样品为自制的化学药品混合物，其元素含量见表１。犜犪犫犾犲１　犆狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狊狅犳犲犾犲犿犲狀狋狊狅犳犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀狊犪犿狆犾犲狊１＃２＃３＃４＃５＃Ｐｂ／（ｍｇ·ｋｇ－１）１１１５１９３１４７Ｂａ／（ｍｇ·ｋｇ－１）９１４２２２９４１　　实验中，选用单脉冲激光能量为１５０ｍＪ，延迟时间为１．２５μｓ，分别拟合了这两种元素的定标曲线，如图１０（ａ）和（ｂ）所示。犉犻犵１０　犆犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀犮狌狉狏犲狊狅犳犲犾犲犿犲狀狋狊（ａ）：Ｐｂ（４０５．７８０７ｎｍ）；（ｂ）：Ｂａ（４５５．４０３３ｎｍ）　　根据计算，可以得到Ｐｂ和Ｂａ元素鱼体内各组织的含量，结果发现这些元素在鱼肉和鱼肝脏的含量有很大的区别。在鱼肉中，只检测到了及其微量的一部分，甚至有些都８０２光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３３卷不在ＬＩＢＳ的检测限内，而在鱼肝脏中，检测到的Ｐｂ和Ｂａ元素分别是２５和４２ｍｇ·ｋｇ－１。由于存在误差，在实验中测量了多组数据，剔除最高值和最低值再取平均，再计算样品的相对标准偏差ＲＳＤ％，其相对标准偏差公式如式（３）所示ＲＥＤ％＝１００％×［∑（狓犻－犕）２／（狀－１）］１／２／犕（３）式中，犕为谱线经过多次测量取平均后的光谱强度值，狓犻为谱线强度的实际测量值，狀表示测量的次数，计算得到相对标准偏差：Ｐｂ６．３７％和Ｂａ７．４８％。３　结　论　　搭建了一套适合于生物体内各组织重金属检测的ＬＩＢＳ系统，并进行了污染鱼样本体内重金属元素含量分析的ＬＩＢＳ实验．该系统可运用于生物医学方面的重金属含量检测，例如检测人体及动物的头发、牙齿、皮肤、骨骼、唾液、人体及动物的排泄物及其呼出的空气等等。如在此系统进行小型化改进，还可以构建成便携式系统，用于野外进行污染区域生物损伤及危害的在线监测。犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊［１］　ＭｉｃｈｅｌａＣ，ＧａｂｒｉｅｌｅＣ，ＭｏｎｔｓｅｒｒａｔＨ，ｅｔａｌ．ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，２００３，４２（３０）：６１３３．［２］　ＱｉｎｇＳ，ＭｉｃｈａｅｌＴ，ＢｅｎｊａｍｉｎＷ．Ｓ，ｅｔａｌ．Ｔａｌａｎｔａ，２０００，５２（２）：２９３．［３］　ＳａｍｅｋＯ，ＢｅｄｄｏｗｓＳ，ＴｅｌｌｅＨＨ，ｅｔａｌ．ＳｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａＰａｒｔＢ：ＡｔｏｍｉｃＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２００１，５６（６）：８６５．［４］　ＡｋｓｈａｙａＫ，ＰｒａｋａｓｈＣＳ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆＳＰＩＥ，２００６，６３７７：１１．［５］　ＬｏｕｉｓＳＯ，ＡｒｃｈａｍｂａｕｌｔＪＦ，ＫｗｏｎｇＥ，ｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈａｒｍａｃｙ＆ＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００５，８（２）：２７２．［６］　ＭａｒｔｉｎＭＺ，ＬａｂｂｅＮ，ＲｉａｌｓＴＧ，ｅｔａｌ．ＳｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍａｃａＡｃｔａＰａｒｔＢ：ＡｔｏｍｉｃＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２００５，６０（５）：１１７９．［７］　ＨａｈｎＤＷ，ＯｍｅｎｅｔｔｏＮ．ＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２０１０，６４（４）：３３５．［８］　ＧｏｒｎｕｓｈｋｉｎＩＢ，ＳｈａｂａｎｏｖＳＶ，ＰａｎｎｅＵ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎａｌｙｔｉｃａｌＡｔｏｍｉｃＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２０１１，２６（７）：１４５７．［９］　ＳｈａｂａｎｏｖＳＶ，ＧｏｒｎｕｓｈｋｉｎＩＢ．ＳｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａＰａｒｔＢ：ＡｔｏｍｉｃＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２０１１，６６（６）：４１３．［１０］　ＤｉＲｏｃｃｏＨＯ，ＢｒｅｄｉｃｅＦ，ＰａｌｌｅｓｃｈｉＶ．ＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２０１１，６５（１０）：１２１３．［１１］　ＤｉａｚＰａｃｅＤＭ，Ｄ’ＡｎｇｅｌｏＣＡ，ＢｅｒｔｕｃｃｅｌｌｉＧ．ＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２０１１，６５（１０）：１２０２．［１２］　ＤａｖｉｄＷＨ，ＮｉｃｏｌóＯ．ＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２０１２，６６（４）：３４７．［１３］　ＸＩＮＲｅ